開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理
一、開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾,按噪聲干擾源種類來(lái)分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來(lái)分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來(lái)分別說(shuō)明：
1．二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò),在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí),由于PN結(jié)中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里,電流會(huì)反向流動(dòng),致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。
2．開(kāi)關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾
功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過(guò)較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開(kāi)關(guān)時(shí),這種諧波干擾將會(huì)很小。另外,功率開(kāi)關(guān)管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。
3．交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過(guò)輸入輸出線傳播時(shí),都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
4．其他原因
元器件的寄生參數(shù)，開(kāi)關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。
二、開(kāi)關(guān)電源EMI的特點(diǎn)
作為工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開(kāi)關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開(kāi)關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開(kāi)關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度.
三、EMI測(cè)試技術(shù)
目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測(cè)量差模 共模干擾最簡(jiǎn)單的方法，但測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖1），測(cè)量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測(cè)量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。 四、目前抑制干擾的幾種措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑（見(jiàn)圖2）;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如,功率開(kāi)關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開(kāi)關(guān)電源的底板是交流電源的地線,因而通過(guò)器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng),所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.
在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則,如果形成多點(diǎn)接地,會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當(dāng)磁力線穿過(guò)該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲,實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后,再連接到公共參考點(diǎn)上。
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。
一、開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的抑制措施
1 EMI濾波器
濾波器具有雙向?yàn)V波的作用，既能阻止來(lái)自于電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源內(nèi)部，又能阻止電源本身產(chǎn)生的干擾污染電網(wǎng)。利用電流探頭分離開(kāi)關(guān)電源的共模和差模干擾，進(jìn)而分別設(shè)計(jì)共模和差模濾波器[3]。圖2示出實(shí)際使用的EMI濾波電路。
由圖可見(jiàn)，Y電容C202，C302與共模電感L101，L201對(duì)電源中的共模干擾起抑制作用；X電容C101，C201， C30l，C102與共模電感的漏感Lpo對(duì)電源中的差模干擾起抑制作用。R101，R201為泄放電阻，斷電之后，可使X電容上的電壓快速降低，并達(dá)到安全規(guī)范的要求。 RV30l為壓敏電阻，它的響應(yīng)時(shí)間僅有幾個(gè)納秒，并且沒(méi)有延遲現(xiàn)象，所以壓敏電阻能吸收上升很陡的浪涌電壓引起的EMI，并能保護(hù)電源中的器件，防止電壓畸變，特別是對(duì)防雷效果很好。' {* J* @4 N2 w
圖3示出加濾波器前后的傳導(dǎo)EMI測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)，EMI濾波器使開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI下降了20多個(gè)dB?μV。特別是在1MHz以上的高頻段效果更佳，起到了很好的抑制效果。
2 對(duì)電流諧波的抑制
對(duì)于整流電路中的尖峰電壓及其高次諧波可通過(guò)功率因數(shù)校正電路(PFC)予以解決。通過(guò)補(bǔ)償可有效抑制高次諧波，其功率因數(shù)可提高到0.99以上，基本上實(shí)現(xiàn)了無(wú)諧波，消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。
3 減小du/dt和di/dt
對(duì)于VM等開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的di/dt和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的du/dt，可以加無(wú)源緩沖電路和軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)來(lái)抑制。圖4示出在VM兩端并聯(lián)的RCD吸收電路。它可吸收接通和關(guān)端瞬間產(chǎn)生的浪涌峰值電壓，降低開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。圖5a示出加吸收和軟開(kāi)關(guān)諧振電路時(shí)傳導(dǎo)EMI的測(cè)試結(jié)果。與圖3b相比，EMI平均下降了約6dB?μV。 l2 }- T9 J) D/ I1 A
4 高頻變壓器產(chǎn)生干擾的抑制
選擇高磁導(dǎo)率的磁芯，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組要緊密相連，并且初級(jí)與次級(jí)交叉并繞，以達(dá)到減小漏磁，進(jìn)而減小因漏感引起的電磁感應(yīng)噪聲。在變壓器的線包和磁芯外表面包一層薄的銅皮作為屏蔽層也會(huì)起到良好的抑制作用。在高頻時(shí)，干擾能量通過(guò)變壓器的分布電容在初次級(jí)之間傳遞，把干擾能量消耗在電路中，為了減小分布電容，常用的方法是在變壓器的初次級(jí)跨接一個(gè)Y電容。圖5b示出在變壓器外加屏蔽銅皮和在初次級(jí)跨接Y電容。與圖5a相比可見(jiàn)，雖然在1MHz以下的頻段，EMI下降得比較明顯，但因干擾能量在變壓器的初次級(jí)之間互相傳遞，在其余頻段卻有所上升，因而總體上達(dá)到了CISPER EN550022B的標(biāo)準(zhǔn)。 3 w W8 z' j4 q4 [
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5 調(diào)頻技術(shù)抑制干擾# v9 F d: q/ x; \. r
調(diào)頻技術(shù)也叫“頻率抖動(dòng)技術(shù)”[4]，即將主開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻率的周圍產(chǎn)生一系列頻帶，把集中在主頻率及其2次、3次等諧波上的能量分散到周圍很寬的頻帶上，從而降低干擾。
6結(jié)論
研究了開(kāi)關(guān)電源中的EMI干擾源，通過(guò)對(duì)正激變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的剖析，根據(jù)干擾源產(chǎn)生的機(jī)理，采用了幾中抑制措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效果很好。它為抑制開(kāi)關(guān)電源的干擾源，以及解決EMI超標(biāo)問(wèn)題提供了參考依據(jù)。
二、高頻開(kāi)關(guān)電源輔助電源電磁干擾(EMI)問(wèn)題
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)電源控制從最初的模擬電路逐漸發(fā)展到微處理器、DSP等高集成度的控制器件，這些器件體積小、精密度高，但開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的電磁干擾、輻射相對(duì)其他通訊設(shè)備工作環(huán)境更強(qiáng)，這對(duì)輔助電源提出了更高的要求。本文對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)輔助電源的工作特性和波形加以闡述，并著重根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題和參數(shù)的選擇。
1高頻開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題
:在目前的智能開(kāi)關(guān)電源中，都有機(jī)內(nèi)微處理器或DSP，作機(jī)內(nèi)監(jiān)控和通訊之用。微處理芯片對(duì)供電電源要求很高，要求幅值相當(dāng)穩(wěn)定，更不能帶有較大尖峰毛刺，造成電磁干擾，而且要求輔助電源的交流適應(yīng)能力比整流器正常工作的范圍更廣,當(dāng)整流器接上交流輸入電時(shí)，必須是監(jiān)控部分先正常工作，進(jìn)行自檢和各種狀況的檢測(cè)，以確定整流器能否開(kāi)機(jī)；如遇極高或極低交流電壓，整流器雖已停止工作，但監(jiān)控部分仍要正常工作，保持正常的監(jiān)控和通訊。
某些電源產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中曾出現(xiàn)無(wú)故復(fù)位等現(xiàn)象，在進(jìn)行大功率開(kāi)關(guān)電源的輔助電源設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其輔助電源在不同交流輸入電壓、不同負(fù)載條件下存在比較多的問(wèn)題：交流適應(yīng)范圍窄，負(fù)載能力低，工作波形不穩(wěn)且極不對(duì)稱，出現(xiàn)偏磁，電磁干擾極嚴(yán)重等。
一般開(kāi)關(guān)整流器輔助電源的工作原理是：輸入交流電經(jīng)整流成為高壓直流電，然后經(jīng)變換電路成為低壓高頻方波，再經(jīng)由整流濾波電路成為系統(tǒng)所需的平穩(wěn)低壓直流電，一般由三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，由一路直流輸出提供高頻變換驅(qū)動(dòng)脈沖控制環(huán)的電壓反饋信號(hào)。由功率變換的主回路上串電阻采樣作為電流反饋信號(hào)，功率變換管的驅(qū)動(dòng)脈沖由UC3844等控制芯片及其外圍電路產(chǎn)生。 （注：交流低壓是輔助電源開(kāi)始啟動(dòng)工作時(shí)最低輸入電壓實(shí)測(cè)值）
可以看到，在較低的交流輸入電壓、無(wú)電流反饋條件下輔助變壓器已經(jīng)不能正常工作，其波形的脈寬是不一樣的，有的寬有的窄，而且發(fā)生抖動(dòng)，示波器已無(wú)法穩(wěn)定地抓住波形。電流反饋，波形的脈寬也是有寬有窄，占空比達(dá)到了47%，而UC3844的最大占空比僅為50%，如果增加負(fù)載，輸出電壓會(huì)降低。
如何使輔助電源能在交流輸入的上極限、下極限電壓下穩(wěn)定工作，如何使輔助電源所帶負(fù)載從空載到過(guò)載的全范圍內(nèi)能穩(wěn)定正常工作，都有比較大的難度，這涉及幾方面的技術(shù)難題：功率器件的耐壓、過(guò)載能力；高頻變壓器的設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)脈沖控制回路參數(shù)的選擇。
2解決方法
技術(shù)人員通過(guò)一定的理論分析和實(shí)驗(yàn)摸索，對(duì)輔助變壓器和控制回路作了相應(yīng)的改進(jìn)，終于解決了這個(gè)問(wèn)題。解決辦法是：調(diào)整輔助變壓器的匝比，改變?cè)呍褦?shù) Np，降低原副邊匝比比例，使低電壓時(shí)的占空比減小，遠(yuǎn)小于UC3844規(guī)定的上限45%；將UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)摸索，終于獲得了比較理想的參數(shù)，濾波電容加大。再次在同樣條件下測(cè)試輔助變壓器的同一副邊繞組。
改進(jìn)后的輔助電源無(wú)論在交流輸入極高或極低的情況下（且啟動(dòng)工作電壓較改進(jìn)前要低一些），還是在空載或帶重負(fù)載的情況下，其工作波形都較改進(jìn)前更穩(wěn)定，脈寬對(duì)稱更均衡，而且?guī)лd能力明顯優(yōu)于改進(jìn)前。對(duì)比在低輸入電壓下，改進(jìn)后的占空比相對(duì)改進(jìn)前的占空比下降了7％，表明輔助電源的交流輸入在增加負(fù)載的情況下，輸出電壓仍能保持穩(wěn)定，帶載能力明顯強(qiáng)于改進(jìn)前，輔助電源改進(jìn)工作取得了明顯效果。
3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
在輔助電源的改進(jìn)過(guò)程中，技術(shù)人員曾經(jīng)從多個(gè)方面入手，包括改變電壓反饋環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)、改變脈沖頻率、增大副邊整流后的濾波電容等，但沒(méi)有找到問(wèn)題根源，在交流輸入高低電壓、輕載和過(guò)載等情況下，其波形仍然抖動(dòng)厲害，直流輸出電壓不穩(wěn)，在調(diào)節(jié)UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，也進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)才找到了較為合適的匹配參數(shù)，由此可見(jiàn)，工程人員在進(jìn)行理論分析之后仍需要通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果。
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾,按噪聲干擾源種類來(lái)分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來(lái)分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來(lái)分別說(shuō)明：
1．二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò),在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí),由于PN結(jié)中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里,電流會(huì)反向流動(dòng),致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。
2．開(kāi)關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾
功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過(guò)較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開(kāi)關(guān)時(shí),這種諧波干擾將會(huì)很小。另外,功率開(kāi)關(guān)管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。
3．交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過(guò)輸入輸出線傳播時(shí),都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
4．其他原因
元器件的寄生參數(shù)，開(kāi)關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。
二、開(kāi)關(guān)電源EMI的特點(diǎn)
作為工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開(kāi)關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開(kāi)關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開(kāi)關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度.
三、EMI測(cè)試技術(shù)
目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測(cè)量差模 共模干擾最簡(jiǎn)單的方法，但測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖1），測(cè)量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測(cè)量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。 四、目前抑制干擾的幾種措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑（見(jiàn)圖2）;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,減低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如,功率開(kāi)關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開(kāi)關(guān)電源的底板是交流電源的地線,因而通過(guò)器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng),所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.
在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則,如果形成多點(diǎn)接地,會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當(dāng)磁力線穿過(guò)該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲,實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后,再連接到公共參考點(diǎn)上。
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。
一、開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的抑制措施
1 EMI濾波器
濾波器具有雙向?yàn)V波的作用，既能阻止來(lái)自于電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源內(nèi)部，又能阻止電源本身產(chǎn)生的干擾污染電網(wǎng)。利用電流探頭分離開(kāi)關(guān)電源的共模和差模干擾，進(jìn)而分別設(shè)計(jì)共模和差模濾波器[3]。圖2示出實(shí)際使用的EMI濾波電路。
由圖可見(jiàn)，Y電容C202，C302與共模電感L101，L201對(duì)電源中的共模干擾起抑制作用；X電容C101，C201， C30l，C102與共模電感的漏感Lpo對(duì)電源中的差模干擾起抑制作用。R101，R201為泄放電阻，斷電之后，可使X電容上的電壓快速降低，并達(dá)到安全規(guī)范的要求。 RV30l為壓敏電阻，它的響應(yīng)時(shí)間僅有幾個(gè)納秒，并且沒(méi)有延遲現(xiàn)象，所以壓敏電阻能吸收上升很陡的浪涌電壓引起的EMI，并能保護(hù)電源中的器件，防止電壓畸變，特別是對(duì)防雷效果很好。' {* J* @4 N2 w
圖3示出加濾波器前后的傳導(dǎo)EMI測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)，EMI濾波器使開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI下降了20多個(gè)dB?μV。特別是在1MHz以上的高頻段效果更佳，起到了很好的抑制效果。
2 對(duì)電流諧波的抑制
對(duì)于整流電路中的尖峰電壓及其高次諧波可通過(guò)功率因數(shù)校正電路(PFC)予以解決。通過(guò)補(bǔ)償可有效抑制高次諧波，其功率因數(shù)可提高到0.99以上，基本上實(shí)現(xiàn)了無(wú)諧波，消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。
3 減小du/dt和di/dt
對(duì)于VM等開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的di/dt和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的du/dt，可以加無(wú)源緩沖電路和軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)來(lái)抑制。圖4示出在VM兩端并聯(lián)的RCD吸收電路。它可吸收接通和關(guān)端瞬間產(chǎn)生的浪涌峰值電壓，降低開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。圖5a示出加吸收和軟開(kāi)關(guān)諧振電路時(shí)傳導(dǎo)EMI的測(cè)試結(jié)果。與圖3b相比，EMI平均下降了約6dB?μV。 l2 }- T9 J) D/ I1 A
4 高頻變壓器產(chǎn)生干擾的抑制
選擇高磁導(dǎo)率的磁芯，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組要緊密相連，并且初級(jí)與次級(jí)交叉并繞，以達(dá)到減小漏磁，進(jìn)而減小因漏感引起的電磁感應(yīng)噪聲。在變壓器的線包和磁芯外表面包一層薄的銅皮作為屏蔽層也會(huì)起到良好的抑制作用。在高頻時(shí)，干擾能量通過(guò)變壓器的分布電容在初次級(jí)之間傳遞，把干擾能量消耗在電路中，為了減小分布電容，常用的方法是在變壓器的初次級(jí)跨接一個(gè)Y電容。圖5b示出在變壓器外加屏蔽銅皮和在初次級(jí)跨接Y電容。與圖5a相比可見(jiàn)，雖然在1MHz以下的頻段，EMI下降得比較明顯，但因干擾能量在變壓器的初次級(jí)之間互相傳遞，在其余頻段卻有所上升，因而總體上達(dá)到了CISPER EN550022B的標(biāo)準(zhǔn)。 3 w W8 z' j4 q4 [
0 H/ j: K0 d5 o0 r9 T
5 調(diào)頻技術(shù)抑制干擾# v9 F d: q/ x; \. r
調(diào)頻技術(shù)也叫“頻率抖動(dòng)技術(shù)”[4]，即將主開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻率的周圍產(chǎn)生一系列頻帶，把集中在主頻率及其2次、3次等諧波上的能量分散到周圍很寬的頻帶上，從而降低干擾。
6結(jié)論
研究了開(kāi)關(guān)電源中的EMI干擾源，通過(guò)對(duì)正激變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的剖析，根據(jù)干擾源產(chǎn)生的機(jī)理，采用了幾中抑制措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效果很好。它為抑制開(kāi)關(guān)電源的干擾源，以及解決EMI超標(biāo)問(wèn)題提供了參考依據(jù)。
二、高頻開(kāi)關(guān)電源輔助電源電磁干擾(EMI)問(wèn)題
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)電源控制從最初的模擬電路逐漸發(fā)展到微處理器、DSP等高集成度的控制器件，這些器件體積小、精密度高，但開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的電磁干擾、輻射相對(duì)其他通訊設(shè)備工作環(huán)境更強(qiáng)，這對(duì)輔助電源提出了更高的要求。本文對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)輔助電源的工作特性和波形加以闡述，并著重根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題和參數(shù)的選擇。
1高頻開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題
:在目前的智能開(kāi)關(guān)電源中，都有機(jī)內(nèi)微處理器或DSP，作機(jī)內(nèi)監(jiān)控和通訊之用。微處理芯片對(duì)供電電源要求很高，要求幅值相當(dāng)穩(wěn)定，更不能帶有較大尖峰毛刺，造成電磁干擾，而且要求輔助電源的交流適應(yīng)能力比整流器正常工作的范圍更廣,當(dāng)整流器接上交流輸入電時(shí)，必須是監(jiān)控部分先正常工作，進(jìn)行自檢和各種狀況的檢測(cè)，以確定整流器能否開(kāi)機(jī)；如遇極高或極低交流電壓，整流器雖已停止工作，但監(jiān)控部分仍要正常工作，保持正常的監(jiān)控和通訊。
某些電源產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中曾出現(xiàn)無(wú)故復(fù)位等現(xiàn)象，在進(jìn)行大功率開(kāi)關(guān)電源的輔助電源設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其輔助電源在不同交流輸入電壓、不同負(fù)載條件下存在比較多的問(wèn)題：交流適應(yīng)范圍窄，負(fù)載能力低，工作波形不穩(wěn)且極不對(duì)稱，出現(xiàn)偏磁，電磁干擾極嚴(yán)重等。
一般開(kāi)關(guān)整流器輔助電源的工作原理是：輸入交流電經(jīng)整流成為高壓直流電，然后經(jīng)變換電路成為低壓高頻方波，再經(jīng)由整流濾波電路成為系統(tǒng)所需的平穩(wěn)低壓直流電，一般由三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，由一路直流輸出提供高頻變換驅(qū)動(dòng)脈沖控制環(huán)的電壓反饋信號(hào)。由功率變換的主回路上串電阻采樣作為電流反饋信號(hào)，功率變換管的驅(qū)動(dòng)脈沖由UC3844等控制芯片及其外圍電路產(chǎn)生。 （注：交流低壓是輔助電源開(kāi)始啟動(dòng)工作時(shí)最低輸入電壓實(shí)測(cè)值）
可以看到，在較低的交流輸入電壓、無(wú)電流反饋條件下輔助變壓器已經(jīng)不能正常工作，其波形的脈寬是不一樣的，有的寬有的窄，而且發(fā)生抖動(dòng)，示波器已無(wú)法穩(wěn)定地抓住波形。電流反饋，波形的脈寬也是有寬有窄，占空比達(dá)到了47%，而UC3844的最大占空比僅為50%，如果增加負(fù)載，輸出電壓會(huì)降低。
如何使輔助電源能在交流輸入的上極限、下極限電壓下穩(wěn)定工作，如何使輔助電源所帶負(fù)載從空載到過(guò)載的全范圍內(nèi)能穩(wěn)定正常工作，都有比較大的難度，這涉及幾方面的技術(shù)難題：功率器件的耐壓、過(guò)載能力；高頻變壓器的設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)脈沖控制回路參數(shù)的選擇。
2解決方法
技術(shù)人員通過(guò)一定的理論分析和實(shí)驗(yàn)摸索，對(duì)輔助變壓器和控制回路作了相應(yīng)的改進(jìn)，終于解決了這個(gè)問(wèn)題。解決辦法是：調(diào)整輔助變壓器的匝比，改變?cè)呍褦?shù) Np，降低原副邊匝比比例，使低電壓時(shí)的占空比減小，遠(yuǎn)小于UC3844規(guī)定的上限45%；將UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)摸索，終于獲得了比較理想的參數(shù)，濾波電容加大。再次在同樣條件下測(cè)試輔助變壓器的同一副邊繞組。
改進(jìn)后的輔助電源無(wú)論在交流輸入極高或極低的情況下（且啟動(dòng)工作電壓較改進(jìn)前要低一些），還是在空載或帶重負(fù)載的情況下，其工作波形都較改進(jìn)前更穩(wěn)定，脈寬對(duì)稱更均衡，而且?guī)лd能力明顯優(yōu)于改進(jìn)前。對(duì)比在低輸入電壓下，改進(jìn)后的占空比相對(duì)改進(jìn)前的占空比下降了7％，表明輔助電源的交流輸入在增加負(fù)載的情況下，輸出電壓仍能保持穩(wěn)定，帶載能力明顯強(qiáng)于改進(jìn)前，輔助電源改進(jìn)工作取得了明顯效果。
3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
在輔助電源的改進(jìn)過(guò)程中，技術(shù)人員曾經(jīng)從多個(gè)方面入手，包括改變電壓反饋環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)、改變脈沖頻率、增大副邊整流后的濾波電容等，但沒(méi)有找到問(wèn)題根源，在交流輸入高低電壓、輕載和過(guò)載等情況下，其波形仍然抖動(dòng)厲害，直流輸出電壓不穩(wěn)，在調(diào)節(jié)UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，也進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)才找到了較為合適的匹配參數(shù)，由此可見(jiàn)，工程人員在進(jìn)行理論分析之后仍需要通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果。
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